Проектирование и создание электровездехода нового формата. Восток
Этот самодельный электровездеход имеет название «Восток», в честь первого космического корабля Советского Союза, который доставил первого космонавта на орбиту Земли. Это гордость, что были такие предшественники. В частности, Сергей Павлович Королев со своей командой. Поэтому вездеход Восток — это попытка внесения новизны и посильного вклада в развитие Отечественной техники. Отсюда было выбрано такое символическое название. Кстати, первый выезд по случайному стечению обстоятельств состоялся 12 апреля 2021 года в день 60-летия со дня первого полета человека в космос.
Идея создания вездехода на электрической тяге весьма тривиальна. В ее основу легли мысли главного конструктора и идейного вдохновителя вездехода Сергеева Петра. Он является поклонником внедорожного спорта и любит ездить на природе, в частности, на квадроциклах. И в один из жарких летних дней его посетила мысль о том, что некомфортно ездить на обычном бензиновом квадроцикле, который скидывает с себя кучу тепла, выхлопных газов, издаёт громкий шум и треск. И собственно оттуда (а это было полтора года назад) и пошла идея сделать электрическое транспортное средство. Поначалу были мысли доработать какое-то существующее транспортное средство ну, например, мотоцикл или багги. Но, взвесив все за и против, было принято решение, что нужно постараться добиться минимального энергопотребления, чтобы запас электроэнергии был достаточен, чтобы совершать и весьма продолжительные поездки. Это подразумевает формирование определенных требований, которые нужно предъявить к конструкции будущей машины. В частности, высокий дорожный просвет, небольшую массу и высокие ходы подвески. Еще одно не менее важное требование — возможность преодоления водных препятствий вплавь. Отсюда и родилась конструкция, которая представлена перед Вами.
Вездеход является двухмоторным, то есть в нем два электромотора, которые расположены в переднем и заднем мостах. Подвеска здесь зависимая, потому что только с ее помощью можно обеспечить постоянный дорожный просвет и высокие ходы подвески. Здесь высота хода подвески примерно метр, то есть, если поднимать одно из боковых колес, то другое оторвется только спустя метр. Никакой независимой подвеской такого добиться не получится. Мост здесь нетрадиционный как на большинстве автомобилей. Он представляет из себя ферменную конструкцию, сваренную из листовых деталей. И его главная особенность состоит в том, что редуктор и электродвигатель размещены значительно выше оси вращения колес. Это позволяет обеспечить большой дорожный просвет. Здесь он, надо сказать, полметра под мостами и почти 70 см под днищем автомобиля. В дополнение, мост обеспечивает высокую прочность и надежность, потому что ШРУСы, которыми наделены эти мосты работают в постоянных, не сильно нагруженных условиях, и это обеспечивает высокую надежность. То есть не будет вероятности поломки из-за того, что углы вывешивания будут критичными для их конструкции.
Примечательно то, что дорожный просвет под мостом остается неизменным. Это одно из достоинств этой системы по сравнению с обычной независимой подвеской, где дорожный просвет определяется загрузкой машины. Здесь применен объединенный мотор-редуктор, который через ШРУСы передает крутящий момент на колеса. Мосты, поворотные кулаки рассчитывались, проектировались и изготавливались собственноручно.
Недостаток традиционных систем управления рулевыми колесами в случаях с зависимым мостом — это разъезд колес во время артикуляции моста. То есть когда мост преодолевает препятствия, то углы установки колес относительно кузова меняются и колеса разъезжаются в разные стороны. Для того, чтобы от этого уйти, рулевая рейка была размещена непосредственно на мосту, а вот управление этой рулевой рейкой, то есть крутящий момент непосредственно от рулевого колеса передается с помощью хитрого вала. Этот вал одет в кожух, имеющий водонепроницаемую конструкцию, потому что машина предполагает взаимодействие с водой. Рулевой вал выходит из салона и посредством угловых редукторов идет к входному валу рулевой рейки. Это обеспечивает жесткую связь между рулем и рулевыми колесами. Это одно из требований к подобному классу техники. То есть здесь нет гидрообъёмной трансмиссии и дополнительных систем. Здесь обычная механическая связь, плюс электрический усилитель руля. Благодаря угловым редукторам мы изменяем направление хода вала. Вал имеет внутри себя шлицевые соединения, чтобы компенсировать длину, которая меняется во время движения моста по бездорожью.
Одна из главных задач для этой машины — это малый вес, поэтому в качестве материала кузова был выбран алюминиевый сплав. Машина сделана именно кузовной, а не рамной, потому что планируется, что машина будет именно водоплавающей. Ватерлиния должна проходить примерно посередине между дном и отверстием под передними дверьми.
Высокого качества подгонки материалов удалось добиться благодаря проектированию всех элементов автомобиля в САПР Solid Works и благодаря небольшому станочному парку металлообрабатывающего оборудования, который позволяет резать, гнуть и сваривать этот кузов. Надо сказать, что благодаря Solid Works все, что есть собралось с первого раза. Не было никаких запчастей, доделок и переделок.
По стратегической задаче это автомобиль 2+2. В этой колесной базе не удалось вместить задние полноценные сидения, но тем не менее они там будут и рассчитаны на невысоких взрослых или детей. Также в вездеходе будет небольшое багажное отделение в котором располагаются и аккумуляторы.
В планах есть добавить к заднему мосту управляемые задние колеса, которые на бездорожье будут добавлять неоспоримое преимущество и помощь.
Машина в том виде в котором она представлена сделана для того, чтобы успеть опробовать ее летом 2021 года. К сезону 2022 года планируется полная доделка. Должен появиться и полноценный салон, и внешний вид будет совершенно преобразован.
Процесс эволюции силовой части был тернистый и непростой. Идея в том, что в этом элетровездеходе используются два мотора и две идентичные друг другу системы управления на передней и задней они. Дорога к той силовой установке, которая стоит сейчас, была довольно таки долгая. Первым делом на электрическом вездеходе стояли электродвигатели от Toyota Estima. В связи с отсутствием управляющей системы пришлось перейти на перемотанный вариант этих моторов под 72 Вольта и под китайские контроллеры. Но этот путь оказался утопичным для тяжелой техники, так как нужно делать автомобили сразу на высоком напряжении. За кажущейся доступностью дешевых китайских инверторов и электродвигателей, скрываются подводные камни, которые на тяжелой технике вылезают первым делом. Простым языком — сложно найти китайские контроллеры на высокое напряжение и двигатель на хороший момент на низком напряжении. Если применять существующие электродвигатели, например, китайские на низкое напряжение, то надо понимать, что им нужен хороший редуктор с хорошей степенью редукции, иначе хорошего результата не получится. Собственно, это и получилось, когда первый раз собралась вся эта система на 72В. Ехать автомобиль ехал, но мотор был перемотан и работал не в своем режиме. Постоянно перегревался и хорошего крутящего момента не выдавал. По прямой он ехал пол часа после чего перегревался и нужно было еще полчаса отдыхать.
Дальше пути развития силовой части раздвоились. Были заказан мотор и инвертор от Nissan leaf. А также еще один электромотор от Toyota Estima, чтобы сравнить как перемотанный мотор отличается от не перемотанного. В пике электромотор Estima выдает порядка 35кВт, вездеход на нем едет, но мощность показалась недостаточная. Поэтому в конечном варианте скорее всего будет именно двигатель от Nissan leaf.
В принципе для своих задач электромотор от Toyota Estima очень неплох. По соотношению доступности/полученного эффекта этот мотор (если его не перематывать) для легкой техники идеален. Он не греется, потребляет небольшое количество мощности от аккумулятора. По сути он аналогичен жигулевскому мотору. То есть если Вы понимаете, что сможете приделать его к существующей коробки передач, то он выдаст потрясающие характеристики и этого будет более чем достаточно для простой легкой техники. В случае с электровездеходом ситуация резко осложнилась установкой больших 33 дюймовых внедорожных колес. Но и эти колеса не предел. Следующим этапом планируется применение 900 мм колес. Там, конечно, характеристик электромотора Toyota Estima точно мало.
На бездорожье главная задача — это обеспечение хорошего крутящего момента. Он никакими другими способами, кроме того, как применять понижение частоты оборотов и повышения момента, не может быть достигнут. Поэтому сейчас вездеход переходит на моторы от Leaf. И то мотор от Leaf берется за основу, а мост дооснащается колесными редукторами, которые имеют передаточное число 1:2. Таким образом мы получаем на колесах двойное увеличение момента. Момент родного момента электромотора Nissan Leaf до 280 НМ до 3000 оборотов/мин, дальше характеристики начинают спадать, но на бездорожье это не важно, так как нет задачи развить колоссальные скорости. С учетом того, что родная редукция 1:8 и плюс колесные редуктора 1:2, то суммарная редукция 1:16. Таким образом крутящий момент на одной оси получается 4480 нм. А общий крутящий на всех 4 колесах 8960 нм. Для примера Нива, установленная на первую передачу и на пониженный ряд раздаточной коробки, имеет суммарный крутящий момент на всех 4 колесах 3890 НМ. Но очень важный момент, что максимальный крутящий момент Нивы появляется только в районе 4000 тысяч оборотов/мин на моторе. Здесь же, в самодельном электрическом вездеходе, момента на одной оси больше чем у нивы на всех осях и появляется он практически сразу при нажатии педали газа.
Суммарный вес электровездехода планируется получить менее тонны — 900 с небольшим кг.
Огромный крутящий момент будет компенсироваться большими колесами. Но по-другому на бездорожье нельзя. Там все определяется дорожным просветом, а он в конечном итоге зависит и от диаметра колес. В планах есть вместо стандартных внедорожных колес поставить колеса низкого давления 900×450. Они идеально встанут и позволят обеспечить еще более впечатляющие характеристики проходимости и плавучести. В частности, есть желание, чтобы автомобиль еще отлично перемещался по снегу. А этого удастся добиться только, увеличив пятно контакта с помощью шин низкого давления.
Для тех, кто сомневается какие применять аккумуляторы. В электрическом вездеходе Восток активно применяются NMC пакеты. Сейчас на борту имеется родное напряжение электромоторам от Nissan leaf 360–390В в зависимости от степени заряженности. Всего 96 пакетов по 60Ah. Это примерно 21 кВтЧ. Вес батарейного отсека без учета корпуса получился чуть более 90 кг. Эти пакеты, по сравнению с железо фосфатом и никель металл гидридом, имеют самые лучшие на данный момент показатели по весу. Да, у этих пакетов есть недостатки. Это более узкий температурный диапазон эксплуатации и повышенная пожароопасность. С точки зрения безопасности в электровездеходе Восток выгорожен специальный отсек под аккумуляторы. При возникновении аварийной ситуации внутреннее пространство салона автомобиля останется вне опасности, так как батарейный отсек находится под багажником и не имеет связи с салоном, при этом огорожен перегородкой из нержавеющей жаропрочной стали. И плюс, конечно, контролируется каждая ячейка по напряжению, по разрядному току, по наличию или отсутствию короткого замыкания. Вопросы безопасности очень важны и ими никогда не стоит пренебрегать.
В вездеходе с электромотором очень интересная конструкция стеклоочистителя. Идейным вдохновителем стал шведский производитель гиперкаров Koenigsegg, а поставщиком запчастей стал Mercedes. Была взята система стеклоочистителя от 210 мерседеса, сделана ревизия. Также было проработано изменение нейтрального положения и изменение геометрии поверхности очистки под стекло вездехода. Смысл его в тоа что он двигается по стеклу не только слева направо и обратно, но вверх-вниз-вверх, тем самым добиваясь быстрой и качественной очистки большей поверхности стекла.
В заключении, следует сказать, что данный электроавтомобиль — это испытательная площадка для отработки технологий и принципов, которые конструкторы заложили в его основу. Впереди предстоит не простой, но интересный и волнующий этап испытаний и модернизаций, который поможет расставить все точки над «I» и подсказать верное направление для дальнейшего развития этой темы. Несмотря на это, уже сейчас в головах конструкторов есть планы и предварительные проработки следующих поколений внедорожных электроавтомобилей с лучшими показателями проходимости и энергоэффективности.
Более подробную информацию о вездеходе Восток можно посмотреть на нашем канале в Youtube «Время инженеров»
